4.1  降压斩波器

用于输入输出间非隔离的直流-直流变换中的有降压斩波器，或称buck斩波器，图4.1所示为该电路及其工作波形。图中由SD和二极管构成降压斩波器SDA-1，该SDA-1形成一个单极双掷的电子开关（也称为一个桥路），其中点通过持流电抗器L与电容C连接。图中所示负载在很多场合下由于不仅可以是电阻负载，也可以是等价电源负载、电子电路或二次电池等情况，所以电容C属于链接电容器（参考图6.34中的C₃）。

接下来说明电路动作原理。在SD导通期间T_on内，电源电压E₁加在L和C组成的串联电路上，电流i₁=i₂且大致呈线性上升，而L增加能量进行蓄势。其后，进入T_off期间，SD被关断，同时使i₁降为零，电流i₂立即被换路至经过二极管D_f的环路。换路后的i₂在L的作用下为负载供电的同时逐步衰减。电流i₂在不含电源的电路中循环流动的过程被称为环流，二极管D_f也称为环流二极管（fly-wheeling diode）。在此期间，L进行释势，使得电抗器内部的磁通恢复到该周期的初始值（稳态情况），所以该期间也是磁通的复位（reset）时间。对持流电抗器来讲，磁通复位非常重要，若磁通未完全复位，则磁通量会随周期增大，如果电抗器具有铁心，则铁心一旦饱和，会失去电抗器功能。

图4.1 降压斩波器及其电压电流波形和等价电源电路

此外，图4.1b中的电压e₂基本不太变化，开关期间的电流变化用直线表示。T_off期间SDA的中点（D_f的端电压e_D）是零电压，所以称为零电压（时间）段。该时间段内，电源和负载没有联系，处于输入输出隔离状态（参考3.2.1节），因此本电路的工作过程属于环路切换型功率变换。

下面考察电路的动作特性。考虑输出侧电流环路情况，回路电压方程为e_D+e_L=e₂，将其按照一个开关周期进行平均后，可得式（4.1）。

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左边第1项是e_D的周期平均，由图4.1b可得E₁T_on/（T_on+T_off）（忽略二极管的正向压降）。第2项是持流电抗器端电压的时间积分，若忽略电路损耗，则正常动作状态下必须为零，因此，右边的输出电压e₂的平均值E₂由式（4.2）给出。

由于通常存在E₁≥E₂，所以这是称之为降压斩波器的由来。同时，设T=（T_on+T_off）作为开关周期，一般将右边第2式的系数D=T_on/T称为该SD动作的占空比^[1]。

T一定时，若以SD的占空比来控制图4.1b所示的e_D电压脉冲列，则连续受控情况下的平均输出直流电压E₂=DE₁。这样的控制方式称为PWM（Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制）控制。

降压斩波器的等价电源电路如图4.1c所示。由于持流电抗器的存在，所以输出侧B1-B2可看作电流源。对于一般的应用，往往是由链接电容器C将其变换为电压源来使用的。但是，譬如对他励直流电动机进行转矩控制（参考图9.4）时，将电动机的电枢绕组看作持流电抗器，也就可以将其作为电流源的形式利用。另一方面，输入侧A1-A2是流动着脉冲电流的电流源负载。如果输入电源（图示的电池）的内部阻抗较大，不能接受脉冲电流，则需要在输入端子间连接辅助电容，用它来吸收脉冲电流。

另外，对于变换回路的损耗部分（回路电阻和器件的正向压降）不容忽视的情况，需要详细的特性计算。但是实际中，很多情况下只是用功率变换电路来调整输出电压或输出电流，所以没有必要进行精确的特性计算。因此很多情况下只是为了电路分析而采用计算工具来进行仿真，以便深入了解其特性（参考4.4.4节）。

另外，由于开关时间设定的大小不同，i₂也会发生减小至零的情况，关于这些情况将在4.4.2节进行说明。

此外，在图4.1b中也给出了输入功率流p₁=i₁E₁和输出功率流p₂=i₂E₂，两者差异很明显。另外，如图4.1c所示，降压斩波器是单方向功率流动的变换器。